автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Интенсификация работы прибылей для стальных отливок путем применения экзотермического обогрева

П - г<

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТП' имени К.И.ШЖЬША

Па правах рукописи

ХЕТТМРАЧЧИ ГАШШ ШАСИРЙ ШМАИШЛА (Республика Ери Данла)

ЭДК 621.746.580:569.14

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ РАЗСХЫ ПРИШЕЙ ДЛЯ СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК : -•ПЗГГ£М"ПРЙШШЯ'ЭНЗОГВНЗШСКОГО ОБСГРЗЕА '

Спецйбльноогь 013.16,04 - Литейной прсизьодогво

. А вторе фара г диосергацип га соисшшв ученой степени кандлд&'ха технических наук

Ленинград - 1330

Раб с га выполнена яа кафедре "Теория и технология лит ейшх сплавов" Ленинградского ордена Ленина политехнического института имени .Й.Калинкна.

Каугшы(: руководитель - доктор технических наук, профессор

Б.Б.Гуляов

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

О.Н.Магниютй

» кандидат технических наук Взщуиее предприятие: ГйТШШТПРОМ, 1\ Ленинград

Заямта состоится " _ 1990 г1, в А часов на

заседании специализированного совета Д 053.38.08 при Ленинградском ордена Ленина политехническом институте имени М. И.Калшина по адресу: 195251, Ленинград, Полк'хехкшеская ул., 29, Хиылческий корпус, ауд. 5Г.'

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке института. ''.•..

автореферат разослан " О) " СШУУ^Ь^ 1990 г. .

Ученый., секретарь спевдаяизихю ванного совета,-к. т.

Ю, Г.Сергеев

... " ;•' :

>'.1 | гаТЕИСйФЗДК РАБОТУ ПРЗБЫШ ЛЛ1 СТАЛЬНЫХ отяявок

стдгл" < ППЫ: ЗРЖКЗйКД ЗлОСТаР.л'.ЧГСКСГО ОБОГРЕВА, сергдщ-^ |

Общая характеристика ьайо'хы

Актуальное!!' рабсгы. Техничгс к/Л. про гросс лятейн^го лрскзво?с1та-сиоеной загсзавхгедъной баьы машкнссгрсеник - нзоасуыхът свпзая с ло-ызвшеи качаоа-ра, надежно а ги, и улучгенлех.гвлнцхо-эхолокк^вокху :>о-азакелей пзготакшгап-е'х отливок. Г4р:* ироиаводогъз •ф&сотшх свальных ■;лквок на игнгекосгрй.'П'виьиых заводах саыао. ВО/5 мщмА ох ал;-,, расходуйся иа 1фябагк, п?иг,назиьчванчб дя* их а/лания з процесс:; эатаердова-;:я. 3 срсдкш по кашшзегроанда ¿ычод гадкого сгальчогт .ш^н состав-яее около" СО^. Таэте положение язлаьгея з значительной стер гак след-твием иасо2бравко11!й лркбкгвй.

Для болю эф^акЕивкод'О исг.одьзохашгя металл? прибыли к получена плотной отллъкк прчиеняагс? агмосфорноо и овбрхагмосОврлов давго-кя, а тан::;г их яскуссзввяный оо'игрзэ.

Осчогкиа доояюмии з ьгей сбласхч спедукаде: разработаны ;->кзо~ ер?«ичзскио смеси о комплексы^: оглсли^екем для со'огрзза прибыльной аогк оглигпг, рапрабпкны в аиробирозаиа з производило гехнолиги-есдае лроцосоы изгогезленяя отлхзо.; с экзотермическим .оЗогревоы -рнбагей; разработано специальное оборудэзакие для изготовления экзо- , ернических сболчен, Впвдрвчже ¿>гих. ироцесоог' в вроивзодогло лозво-яог повысить хдаод годного до ?5-№%. .

Однако, для э£»1х мазодов до "сих лор н& разработки; с исгечы работа, поэгоау они нз дает стабильных результатов.

Проблема снимания расхода металла па прибыли та счет их обогря-а и ингелсификад;:« пглкатся актуальной к требует дальнейшего лзучо-ия.

Пель сг.бзд сосюих в снигани.ч кагаллоеихости-изготоменая ома- -он ва счег ибогрзва лрибшай, а ^акяа опгкмиэадаи расх1',а э.:зотерчи-93КИХ сносей и их сосгага. Для достижения указанной цэли поставлены ледугадиа задали работы:

I. Разработка ыетодккч расчета прибылен, обогрева?'.'!« экзотерическими смасяыи, на о сколе ооозьэютьую^аИ маисиатачеокоИ модели.

Р.. Оптимизация осотагоь укзотбрмкчеоких смесей.

3. Построение алгоритме» и разработка про грана дли ;;х роал;;заи;:и

на ЭВМ. -

Научная новизна работ занлпчаатся в следующей; . . - составлен тепловой баланс в системе "прибыль - экзотермический элемент - форма", который ранее не приценялся для расчета обогреваемых прибылей; . ? . .

получено ¡георгтаческк-обоснованное решение задачи снииения расхода металла на прибыль лугем интенсификации ее работы;

. - аналитически выведены условия получения открытой усадочной рако вины и.проникновения атмосферного давления в прибыль на основе математического моделирования процесса образования мостов. . .

Практическая ценность-результатов работы состоит в досеиызвии экономии металла при изготовлении отливок с применением прибылей, обогреваемых экзотермическим саесяки на 30-60$ по отношению.к необо греваемыи прибылям. Внедрение результатов работы в пооизводство по-8велит получить значительный экономический, э^река.

Апробация работн. Материалы диссертации долоиеиы и обсуждены на научно-технических секинар&х кафедры "Теория к вехнологип литейны сплавов" ЛИИ им.М.И.Калинина, 1Э8Э/30 гг. . . ..

. Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 134 .наименований...Рабога изложена на 114 страницах иашинолисного текста, содержи! 4 таблицы, 30 рисунков. Общий объем работы составляет 125 страниц.

СОДЕШНЕЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и сформулирована цель работы. ...... . .....

.-В первой глава приведен обзор литературы, посвященной усадочнш раковинам в отливках, принципа«,и методам проектирования прибылей, £ также ыетодам интенсификации работы прибылей, созданный за последюн 6С лет. Рассиотрены-следующие группа методов интенсификации работы прибылей: I) применение атмосферного и сверхатмосферного давления;

2) искусственный-обогрев прибылей.' -......

Анализ литературных данных позволил сделать следующие выводы. . Обобщение производственных данных, - основанных не- интуитивных оценка; при выборе размеров прибылей, не мотет являться базой для создания

надежной и эффективной, методики. . .......

... Эмпирические, полуэышричеокие и.приближенные аналитические методы, как правила, опираются на тепловую функцию прибыли, опреде-

ляемую правило;.! модулей Хворинова в соответствии о известным принципом В.К.Груи-Гржшайяо: "Прибыль должна счыяутл последней". Следуя указанному принципу, в ряде случаев сачетаеаоиу с общи дефицитом питания, зги ив®оды сводятся к раочету. объема такой прибыли, которая затвердевает позднее отливки, обеспечив.последним необходимым количосявок металла. При таком подходе из представляем возмэжньы минимизировать. объем прибыли, гак как на учитывается аз питавшая функция, отраженная в другом принципе Груи-Гржимайло: ."Зышелекащая часть 02ЛИВКИ. слуеих прибылью никелекащвй .части". фундаментальное ' решение задачи..об оптиыизацпи формы, и параметров прибылей зозмодно только на основе расчета конфигурации усадочных раковин. Ключом к . решений этой задачи к о кот слукигь расчет области- усадочной раковины в.прибыли произвольной конфигурации,-реализованный А.Л.Ларикци на ■ ' основе, дифференциального, уравнения контура области.усадочной ракови-' ны ъ цилиндрическэй отливке, пэлучзкаога Б.Б.Гулязвыи. '.

Принята следующая поиаыозка задачи: .. ... ■.. . ...

1) С главка (ила выявленный из нео узел питания) .рассматривается как система, вклвчащая прибыль и-конечноо-чясло простых по форме.' элементов, лито* .заготовка, при поол вдова зальном эагвердэзании кото--рых изолированные бассейны .кедког-о металла не образуются.

2) Относительная объемная .усадка сплава, определяется когффици- л -ентом усадки «С , который мокет.быть.найден либо из опта, либо по ■ справочным данным .с учетом. перегрева. . • ■•• .. .

3) Относительная скорость затвердевать сверху в прибыли опрз- .- _ деляетея коэффодаетоа Ш.. .. - ... •..'•.''

4) Отношение скоростей затвердевания в. отдельных элементах от- , лавка, к в прибыли учитывается .коэффициениаии ¥; и , о>:и опре-г •'.' делятся аналитически. в заваоамссти от хеплофизичэских параметров -сплавов и фермы.... ■ -.■ . .... ..'•.;..'

5) Формирование .усадочной,.раковины заканчивается а момент, ког-^ • да граница вьшинаеиосгй достигает оои прибыли. .

5) Прибыль произвольной конфигурации представляйся.з виде, кои- ' ' бинации простых фигур. Достаточно 4-х фигур, .составляющих -.селолфк-были любой формы для ее приближенного описания. Конфигурация прибы- '. ли в целой определяется углами наклона образующих к боковой поварх-ности элементов прибьки , Ц>г , ^ , Щ , а такзе высотами комби- . нируеиых фигур. . ' .' .• .•-

Общее дифференциальное уравнение для изменения объема области • '

усадочной раковины за время йV мокяо записать следующий образом:

где d\'p , dVc/\ , йГГ/i/ •■ элеиенгарн^е объемы соответственно области усадочной ракоиаш, оатьердакего слоя к постов в прибыли; ¿Ш и ÜVj - прирсщедак объзков твердого слоя з ¿-оы цилиндрическом и J ом пл^окои пигаеиых злз-tenxax литой заготовки.

Рассматривается шхема^нчсскан модель области усадочной раков:;-ни в прибили лроиавольной конфигурации на пршере села вращения, со-стоячего из 4-х конусов. ■

Ks высоте Л/г , сосшетствувдсй положению уровня ¡¿едкого металл; ь кинусс является плои кий цилиндрический диск высотой Ah к радиусо! f?« , размеры которого определяются значениями /г* , ty , lf2 , ,

а также высотами соозавлянвдс фигур. Ступенька на внешнем контура прибыли искази? его на величину:

th-ctgif,

именуемую поправкой на кслаяекие Екекнего контура.

Раечек границ облаем усадочной раковины в рассматриваемой конусе производится по прикгдпу "скользящего" диска, изменяющегося в диаметре согласно углу конусности и шагу по высоте Ah . Расчетное уравнение при этом имеет следулций вид:

В - ф-, (8.

где Нц - высота нижележащей части расчетного контура; tf - угол наклона образующей к основанию конуса; &Чц -"элементарный сбъзи.затве; деваюцего иэгалла в клкелекацих частях прибыли; Х& -• i-екуцая коордшп >та контура, Ы ^ Ш -Х£ ) Hi , Cj■ /я tjfrsj )

■В процессе питания'уровень, жидкого металла в прибыли поникаете: переходит из одного .составляющего конуса к' другой, следовательно в уравнении (3) измекчгся значение^, а ^акже.Л^. Вычисление сшачокк координат расчетного контура, можно осущеотгллтв по методу Эйлера дл. решения дифференциальных уравнений первого порядка с отрицательный, шагом по высоте и учетом поправки на ио::акише внешнего копту

. * *K'üh(i/F}+a, (4

' где- F ~ чйслонноо значение функции правой части уравнения. Начальн . их условии« для расчета являются:

tK = R - H/utct§itf * ... * ctg%), hx = И, • (5)

где R я И - начальные размеру прибыл:: (по Пргвбылу). Доиолппгели.к'й ограничения по »олгакс &е»;»е?д«!вг:вго слон з ют&ездие элементах: -

raí f¿lR«-tn)} Ri, 3¿ -0, '

яря + Cj = с,

где -.толщина ^ -?о эле:,'.а:-ги. •

Граничные услозая форглисуияся вдодуэдеи образоа:

** *Рк, № + ¿$-0, h¡r Í 6R, (?)

i*i ¿-f

где = п-Як - радиус зоны acoso! псрустоогл; d -запаса прибыли. ....

Хогя прибыл:! с элзогерикчеекпм обогрззек позвоахла аокучма зы-код.годного дигья е пределах 70-75$, они aueas ограниченнее-ггргигзнение g практике пс следувд:::,; пркодяам: сгсуаогвяз надокас! иетодкк*. расче-га пркОилой ойогрэзылшх. окзаяэригческшк омзоякк; ьедоси&гочно иыяс-!Сл вопрос подбора экзог«зг^ичео.тйх cuecoíl по гоплогаорной способно-

JTM. . .. • .

В о;'адсгвущей stasouüsiwecxotf подели обласгп усадочнс/ раконипы звачегод. коэ§1.ицйвчга fíl . .»йкрахя? по результатам сопос-галлежя пес-' •.'. I6EH070 экскеркаенеа с еамм&хи даиник:;, чи ззлчзгоя недостатка:; «е-годики при раачеаз ейогрозамих прибылей, аах мак не рассма?ризаотся. геплоьой баланс в сисгеые "прибыль экзотермический элепавг..- .форма", "аник образом, вопрос правалгкого оаред&лший 'разиэроз обогрева е:шх •' фкбилей является одним из коренных,, опредзляжцих экономическую эу-¿екгпвноегь лркаенежш газогераических смесей. . . ' ' •

Згозая гла?а поездека разработке ие^одмкя проектирования яри бы-. 18Й о учесои гелл0зых'фак20?0в.ал2©кся'^»1садяя их paúosu. В дерзок •',-щздэле главы рассмогрэн тепловой баланс ъ скстзкс "прибыль -.окзо-'' !орайчоокий элеквнг..- фор;,ta". Основные полохенкя расчета следуэвдо: . I) Реакция горении экзотермической сиеок начинается игиоъенно теле контакта о расплавом и происходи? послойно. , ,

'¿) Затзердезаниэ расплаза. происходи;: лрк постоянной '¿саперагуре , Ткр. Бри наличии зкачцгвльного инзврвала кристаллизация s клчесгло'-¡еличииы Т/<р аолпе выбирать среднв» температуру аовду лнквидусоа и юлачусом.

3) Температура кокгакга'похерхносхи прибыли с формой первою-

чальдо во всех точках рвлг.и язиперааурв з&итт металла. В мокент 'времени . V- С ка обогреваемой поверхности прибыли ока понижается до Тщ. и далее остается постоянней до тех дор. кока происходит экзотермическая реакция, квобопреваекой повзрхяоети прибыли .ода мгновенно лошикабтея до Тпг .-При мивьо.в песчаные форды к.концу заавардевания отлк леи тейлерааура на наружной помзрхкоми обычно ецс не начинает поднимайся и тепловые погори о кие ничтожны. Б этой сл: чае температуру. поз»ерхносва лркбъ'лж 2 течение значительного вреыеки можно счлтать постоянной.

4) Экзотермическая смесь выделяет тепло в течение всего период! затвердевания отливки.(= ^ртл) •

5) Температура горепая смеси ( долина быть равной темпер; туре контакта обогреваемой поверхности прибыли с продуктами-горения емзеи ( Трр.гор. )• Температурные условия на обогреваемой поверхности прибили:

Т&№ = Т/цягср " Ты * сем$£ . • (8

С целью.составления теплового баланса в системе прибыль-, экзотерический элемент - ферма, вздышк. в обогреваемой прибыли приэчу, перпендикулярную, ее поверхности, г, швдадью, равной единице. Общее уравнение теплогого баланса призмы за время йТ запишется следующим образом:

ййзк = й62г0р * й9Ш-ф - СШН, (£

где йй*гор - телловыделеыт. в зоне распространения реакции за вре mdt\. сЮзк-ф - количество теплоты, поглощаемое .зоной прогрева з: зотерыического.элемента эа.время ¿Г; - количество.теплоты, о-водимое {иди поглощаемое при 1п< > Ър ) обогреваемой поверхностью прибыли за время.(¿Г , Щж. ~ количество теплота, выделяемое экзО' термически!.! элементом за время йТ.

После преобразования уравнение (Э) приобретает вид

где ,рсц , йсм , , Чем ~ соответственно плотность, температурой водность, коэффициент теплопроводности и скорость горения экаотеры ческого элемента; - глубина превращения ( ^ ~Тщ /Гг )» Тг -адиабатическая температура горения;. в топлоеой эффект реакции;' текущее гремя; Ту - начальная.температура формы; время по;

ого затаврдазавш отаигии

C:rcpoo'íb горзнкя скоси, при значениях Тщ , когда aorie догорания остаточки выражена (при эгом необходимо предполагать. выполненным словие: ( Тм - Тф / RfJ<» I), .'дпкег- йеть рассчитана по .формуле:

'4м - Í£Q/$TM)(h:><iPcM-zí')- ?(Q<) «о cxpf-e/RTm * i), , (и)

де Е - энергии акмгашии. реакция; Я - газовая постоянная; Ко ~ ле- ' едэкопонент, ькСкрг.втеа по справочном данным; и определены

лвдужщим соогзоивниеи:

¿CN определяется отражением: ' .

hM *(¡le * 0,186 (ТмЛОО)*Хг)(3/1>-21 .. ' <13)

де А* - доминая теплопроводность воздуха; X¿ - средний' размер' пор1, , Р - степень hojmoíooth, вцрашеаая в долях обьема. ■ '. •'•'•'

Теплопередача е прибыли (ÜQ^) за время At происходит в соотда-тмш с уравнением (¿урье. ■ .-....' '.'. '. .

Го втором раздела второй главы приведена кеюдика pacvo?a сос-га-оз экаогермичоских с:.:есей дли прибылей.. CcorasH екгогерьических ,'смз-. ей длл интенсификации работы прибылей отальнго: о глинок содерям ма-, аллотернит, огкеулоркне нало/да.тзяи, различный добавки для снииения емпературы воспламенения и отабилкэации горения ctifena, а такяе'свя— уащие ',:атрриалп.. ' ,

Реакцию иетатшогермичевкого восстановления в обт.ек взаúa-\ ■'■ ывается следущш образом: ■'■■.-. '' "■ ^

(Hs% + (He'Ú)j * (Ме% *(hklj + Qp¿tj, . (14)

де fie0 - мегалл-восстановитодь ( алж/даий, крепкий и др.); Mí 0 - ок~,' ид восстанавливаемого иб*аян& (опалина, руда к др.); i » ... ••

le; /= it-g.....; Qp¿tj - TJii.nora пьакдки i -го металла..с, / -m ■

ксидом. '.-■'.• 'i .••'•:,, ,-..: ;• ■ ■

Теплотворная способность экзотермической сне с«: •,',..'•:'... !

м г,г, . л* ■' , •; ...••. ".'-

■Ос - jE/VVfi**-::• "•'•' , ' ,(ír):

да Mi,J - сумма молекулярных масо i -го ыеяалха и /-го окисла, - " • зятых в стехиометрических ейотиошевиях; Q¡ и Üj - коэф^адйни

■ 7

' ткгшосгя г -го кеаелла и ¿-го и - содержание 1-го

металла ^ -го оксида в смеск.

Сбцее ураьнекхе гепдовадалония при гор&.ик экзотермической смеси имеох вид: „.

т. м й3

= (и:

ГЙ8 к - Срнв'т (7г.см - Т<р))]- 0-1'

Щ - [мсо^арф¿/] - - СЩ (т,снг ТсрЩ- у.

с к = А ни * Срнк (?г.см.' К * [1,2,... Щ);

Ммй > < №¡>¡¡>'0/ . Ммз'1 - соответственно молекулярные нассы

НиЧ , Мг"01 , Мг'О/ , ''/¿'у ; 4%'й: к - соответственно тепло-

та плавления и ; Срме'М и Срмг'^ - соответственно удельные

теплоемкости Иг'Ой и Ие'} ; . ...... .... .

Сб1дее уравнение для состава экзозсерыичзской смеси имеет следующий вид:

' м пг пз

Отношение количества металла-восстановителя к количеству оксида вос-. стаиавливаомого моталла в смеси:

= / мм10</. (н

В третьем раздала главы приведена методика расчета массы экзо-• термической смеси, изготовления вкзотермического элемента заданной о: ливки. Анализ, уравнения теплового баланса призмы в системе "прибыль экзотермический элемент - 'форма" позволяет определить полное количв' скво теплоты, выделяемое из экзотермического элемента за время (IV :

&&ЭК = + Щх-гЪи-Мм^. (I

где - площадь поверхности фронта горения в момент С ; Рар -

площадь..обогреваемой поверхности прибыли.

Так как - О см > гда тсм ~ масса смеси, скорость го-

рения экзотермической сглеси ( йшсм/йС ) монет быть представлена следующим образом:

е

dmCM jet v - (üQ3Kjüt)lQCM. (¿0)

Зычкслекас ;.;acck- окзотермкчесхого элемента осуществляется до методу Эйлера для ремеккя дифферонцкалышл уравнений первого порядка с вагон по времени :

тсмк+1 * тем.к + f(. (а*)

где./-(Г) - численное значение функции правой части уравнения (S0). Начальники условиями для-расчета являются:

..^fA/í = Г = (2а)

Граничными услоьияии для расчета являются:

^ > toe» = McM/d-i- (23)

В четвертом разделе главк определяется условие получения открыток усадочной paitoвииы в прибыли, Для повышения плотности и улучшения свойств металла отливки, особенно в случае кристаллизации сплава в широком интервале температур, применяются прибыли, работающие под атмосферным давлением. Наличие верхней корка препятствует проникновению атмосферного давления в полость прибьши. Поэтому необходимо.рассмотреть условие прочности верхней корки. Условия разрушения определяются неравенство«:

ámax > Ыг > №)

где /ófip]r - предел прочности при данной температуре. В случае тела вращения:

(b¡B)(zK/X6U{*fi)lciam +Рг Ч)* Íбпр1т, (25)

гдо - радиус жидкой части прибыли; X¿ - толщина верхней корки; J4 - коэффициент Пуассона; - атмосферное давление; /У - плотность твердого, металла. . ..

Б начальном периоде границы затвердевания корки движется со значительным ускорением, а в конечном периоде ее движение происходит без ускорения. Поэтому, для расчета достаточно рассмотреть начальный период затвердевания отливки (Г), то есть Z/Vm/¡ts 0,40-0,65.

При общем или боковом обогреве неравенство.(25) решается относительно *к i а при верхней, обогреве - относительно X¿ ...Так как í* к зависят от времени затвердевания отливки (Г), решая неравенство (£5) в зависимости от обогрева, можно получить максимальный козф-

9

фициент-затвердевания.(-Л/ ^¿у' в - обогреваешь поверхности прибили, при которое.верхняя корка разрушится под действием внешних-сил.

. .Таким обг.'зом, условна разрушения можем записать следующим образом:

К* (^)щах-

После соответствующих преобразований условие разрушаняя твердой корки окончательно принимает следующий вид:

hi * ТКр - (ртЫК^ак J (Mr - </2 СгртШтах1 <27)

В пятом разделе главы рассматривается оптимизация параметров лркбьшей с учетои галловых факторов интенсификации их работы. Критерием оптимизации параметров являехся экономическая эффективность процесса экзотермического обогрева прибылей (3)-' 9 * { с'~ С)/ mo,

где Rig -.иасоа питаемой отдивии; с' - стоимость обычной прибыли; С - стоимость экзотермической прибыли.

т яг т

(с'/тв) = (Ццгт-Р?'Уог.)/Мо = const - для данной отливки

где п, Чзат> Ui • » Чк ~ соответственно стоимость одного кг ^ металла, затраты на изготовление одного.-кг. экзотермического элемента, цена одного кг i -го металла-гоостановоеля, / -го оксида вое' станавлиьаемого металла и К -го наполнителя; , V^n. - объец прибыли баз обогрева и с обогревом.

Из (£8) и (29). видно, что когда стоимость обогреваемой прибыли (С) стремится к ьшншуцу, то 9 ЯШХ..

При поыовд математической подали процесса формирования области усадочной раковины в фасонной отладка можно рассчитывать значения Уом. к ^ЭП. ♦ При расчете /¿у? коэффициент Ш принимает следующие значения: для открытых ррабылзй Щ = 1,8-2,0; для закрытых fit -- 1,3-1,5; при подзоде металла в прибыль т «.1-1,2.

. При расчете V},n. коэффициент /7? рассчитывается следующим образом: если Тщ Р Гф , ю /га = 0; есля ТщТ#р , so М « К$ ¡Kf , где Kg и Kf - соответственно коэффициенты затвердевания верхней и боковой поверхностях прибыли. Б зависимости от вида обогрева и Tat коэффициент гп приншаег значения: 0 £ tn ^ ¿,2.

1С .

Из ранее выведенных формул известно, что значения К^ , , У^ , 4} • Чнх. и тсм зависят от температуры Гщ я от времени затвердевания отлкьки Ъдщд , Тогда целевул функцию молено записать следующий образом:

%-НЫ, ' (3°)

при (7т) щШ * ТШ * (Тгн)тах, (Тги)тах 4 Тзал.

Чтобы найти оптимальное значение для функции Э, выбираем температурный интервал варьирования &7щ . Подставляя в формулу (30) значение Тт , начиная от (Тп^тйь (7й<)тюс с пагои лТт , рассчитываем 9 для каадой Ты . Пссле этого находки максимальное значение (Э)тах , к при этом значении находки (Т/и)0пП . 5гс-и есть опгикаль-' ное значение температуры обогреваемой поверхности прпоклн.

Таким образом, зная (7т)оглп > можно рассчитать оптимальный состав смеси, объем и размеры экзотермической прибыли и массу экзотермической смеси для. данной отливки.

. Третья глава посвящена разработке.алгоритма проектирования прибылей с учетом тепловых факторов интенсификации их работы по лзло-яеиной в главе 2 методика. Общая схема проектирования имеет модульную структуру с логической связью отдельных подзадач.а автоматизированным выводом..исходных и-выгодой расчетных параметров.

Входными, данкшш для проектирования являются: Г) геометрические параметры элементов отливки, .согласно чертежу изделия-и.каталогу типовых элементов; ?-) хеялофизические характеристики материала формы и отливки; 3) физические параметры сплава; 4) физические иарнкетры экзотермической смеси. . . .. ..

Задачей.технолога на данном этапе является кодирование, геометрической информации об отливке,-которое состоит из двух.частей: а) определение конечного числа типовых элементов-(по каталогу); б) учет конструкции, которое сводится к записи логической формулы. Необходимым условием для кодирования является, заданное положение отливки в форме. Конструктивно связанные элементы представлены в формуле, соответствующими Каталогу кодами, а их.взаимное расположение, определяющее направление питания, ножен. быть обозначено условными стволами. Например, знак "< " показывает, что элемент, стоящий справа в формуле, является вышележащим (питающим) по отношению к элементу, стоящему слева, знак">" означает.обратное, знак - конструктивно связанные элементы находятся на одном уровне.

П

Иа основе логической фсриулы строится матрица относительного расположения элементов в пространстве ¡'<2, в которой "+1" соответствует знакам "> 4 к "=" в логической формуле, "-1" соответствует знаку "< ", "О" - взаимодействия чех.

На основе времен г.ахзердеванид злеменгов стройся матрица акциденции III, в которой "+1" означаем, что зрег.я затвердевания элеыск-га, соответствующего I -оГ. отроке, больло клк равно Еремзки затвордо-ьанкн элемента, соответствуюцега / -ку столбцу, "-1" означает обрат- ' нос (исключая равенство времен), "С" - юаиыодгйстзия нет. -

При вводе данных.автоматически составлнется .матрица огисскгсдь-ного р&сиолодекий элсконхов £12. и й'оркируомя кассйв численных окаче-нйу; входных-и расчслшх параметров обращения к которому в даль-леМие:.: происходит в точение всего цицла лреектирозанкя. . -

Модуль расчета питана« отлили предназначен для составления структурно?. матрицы зашердоваиия и лягания ?Л, на основе которой осуществляется организация принципа направленного затзердзвания.

При определении пест установка прибылой а формирования узлов питаг.ия отливки происходит обработка 1Д с целью поиска элементов, не ыолцах в соответствующей строка И значений "-1", а слодоааасльно, . ямялвдхс« только питающими. Номера строк.матрицы «I уназыБак на соответствующие иц элементы в структурной форцуло, которые выдаытся. на дисплей к служат исходными для технолога при..назначении типа прибыли. Далее автоматически формируются узлы питания, группируемые в-спец;;злкшх массивах. •

В аодуло определения условий полупения открытой усадочной раковины рассчитывается минимальная температура, при обеспечеклк ногорой на еоответствукщей поверхности прибыли, в зависимости от обогрева, гарантированно будет получена открытая усадочная раковина.

"одуль расчета оптимальных параметров прибыли с учетом тепловых ¿■■акторов интенсификации их работы предназначен для реализации математической подели процесса форцироаания области усадочной раковины в прибыли фасонной отливки. Модуль разбит на отдельные подпрограммы, которые решают следующие задачи: I) определение формального состава узла питания и типа прибыли, в соответствии с которыми формируется расчетная Фуикцип; а).определение коэффициента "Ш" в зависимости, от вида обогрева и температуры на обогреваемой поверхности прибыли; 3) выделение текущих значений коордкааг контура областя усадочной ракемнй по методу Эйлера; 4) корректировка функции в соответствии 12

с ограничениями по толщине затвердеващого слоя (G); 5) контроль за соблюдением гоаничных условий (7) у итеративное изменепче начальных условий (5).

В модуле mocos оптимальных параметров прибыл olí обогреваемых Екзотураичссюи/и скесяаи определяется оптимальная температура поверхности прибил:: в данной области оптимизации, йри этой температуре определяется и выводится на печать оптимальный состав смеси, объем и размеры экзотерической прибыли, масса и размеры экзотермического элемента.

Комплекс программ составлен на язике úopypan 7?.

Ъ четвертой главе изложены результата реализации и экспериментальной проверки методики. С цедьи исследования влияния, технологических условий изготовления отливки ка ее плотность била проведена серия экспериментов для плоской отливки длиной £70 мм, шириной 70 ам и толс^кой 30 мм. Рассматривались следуздие варианты: I) подвод металла с протизопологного торца прибыли; а) подвод металла с боку прибыли; 3) подвод металла..3 середина оалквки. Для проверки вляялия температуры заливки на плотность отливки были выбраны следующие температуры заливки: 1530 и 1620°С. С целью, проверки влияния высоты прибили и атмосферного давления на распределение плотности отливки были выбрани следующие высоты прибыли: I) высота необогреваемой прибыли, Hnpf - 100 ум; 2) прибыль с полуторным запасок по высоте ( Нпрс -= 1,5 Ипр; - 150 мы); 3) прибыль с двойным запасом по высоте ( Нпрз -= 2,0 Hripi - EGO ми). Рассматривалось такке условие проникновения атмосферного давления в прибыли. Для всех случаев использовались прибыли диаметрол 45 им. ...

По результатам расчетов получены условия образования открытой усадочной раковины при обогреве прибыли сверху: I) условие Тгн > 1460°С; 2) параметры экзотермического элемента: масса элемента - 72г., диаиетр элемента 45 мм, высота элемента 20 мм; S) состав экзотермической смеси: алюминий - 14,окалина - 15,3$, чаиот 33,1%, шпат - 2%, жидкое стекло - 5%) 4) размеры прибыли: дие&етр 45 км и высота - GO мм. . -

Формовка опытных отливок производилась в парных опоках с использованием песчано-глиностой смеси. В качество ьа^ориала отливки применялись стали Я5Л и 45Д. Плавка стали проводилась в высокочастотной индукционной тигельной печи емкостью 15 кг. Раскисленио пталп -добавками саликокальцяя в кова.

/В

Анализ полученных результатов показывает, что наиболее благоприятное распределение плотности в отливке иыеегместо при наличии открытой усад иой раковины и удвоенной высоты прибыли. Подвод металла производился по, разъему в прибыли я заливка при температуре 1530°С. Другие вариант подвода металла и.температур заливки неблагоприятно влиявт на распределение плотности в отливке. Экономическая эффективность составляет 0,0й2 руб/кг.

Такиа образом, ыо;-::но считать, что проникновение атмосферного... давления в прибыли оказывай большое влияние на.распределение плотности в отливке, а условия его проникновения могут быть созданы путем обогрева прибыли экзотермическими смесям.. .

С целью .проверки адекватности методики расчета прибылей, обогреваемых экзотермическими смескыи, на основе.математической, модели области усадочной раковины, а такдо мятеиаЕической модели процесса образования «остов твердого иегалла и.определения, условий получения... открытой усадочной раковины, была проведена серия опытов. Для этого по предложенный алгоритмам осуществлены расчеты обогреваеаых прибылей для плоской, отливки длиной 270 ш, икряной 70. т и толщиной 30 Ш1. Рассматривалось несколько вариантов температуры поверхности прибыли (Т/и ), начиная от ( Тм )щ1п включая ( Тщ)еп/1г для верхнего обогрева прибыла. ...

Формовка производилась в парных опоках о использованием песча-но-глинистой смеси-, подвод металла в прибыль - по разъеху формы. Температура заливки 1530°С, отливки изготолены. из стали 35Л. Опыт' ные отливки разрезались по оси, затем составлялись расчетные контуры с реальными усадочными раковинами. Анализ опытных данных показал, что усадочные пустоты во всех случаях не выходят за пределы моделируемых областей» Это подтверждает-корректность постановки ,задачи расчета и адекватность разработанных математических моделей..Согласование расчетных данных с опытом показывает.справедливость теоретических выводов о составах экзотермических элементов и их разаерах.

В пятой главе изложены, рекомендации по практическому применению методики. При проектировании.прибылей с'учетом тепловых факторов интенсификации рекомендуется производить следующие расчеты: I) расчет прибылей, обогреваемых экзотермическими сиесями; на основе иатеиати-чоской подели области усадочной раковины; 2} определение условий получения открытой усадочной раковины (7/и )щ1П » 3) расчет составов и размеров экзотермического элемента; 4) расчет оптимальных параметров

прибылей; 5) оптимизация составов экзотермических смесей.

Наиболее эффективными являются общий и боковой обогрев прибыли, но их существенный недостаток - низкое качество металла подприбыльноИ зоны отливок, так как в процессе питания последние усадочные пустоты в затвердевающей отлизке заполняются последними порциями металла из затвердевающей прибыли, обогащенного продуктами горения экзотермического элемента. При верхнем обогреве прибыли загрязнение отливки продуктами горения минимально, таи как в этой случае, используется меньшее количество экзотермической смеси, чей при других обогровах. Поэтому верхний обогрев прибыли является наиболее рациональный способом питания отливок и олитков. * .

Обогрев прибили целесообразно использовать для мелких и сродних отливок; для больших отливок обогрев прибыли является менее эффективным способом интенсификации ео работы.

.. Рассматриваемый метод обогрева прибыли реализуется только тогда, когда экономическая эффективность процесса, имеет положительное значение (Э > 0). В противной случае либо, выбирается другой вид обогрева прибыли, либо используется необогреваемая прибыль.

-Прибыли, обогреваемые экзотермическими смесями, следувт располагать в.верхней опоке. Конструкцию литниковой системы выбирают с . учетом возможности подвода металла в. тепловой узел отливки или в прибыли. формы с прибылями, обогреваемыми экзотермическими смесями, заливают при той не температуре, что и формы с необогреваемыми прибылями.

Выводы

I) Предложенная методика проектирования параметров.прибылей, обогреваемых экзотермическими смесями, на основе .математической модо^ ли области усадочной раковины, позволяет рассчитать необходимые и достаточные .размеры прибыли, за пределы которой усадочная раковина не Быйдег, а такке рассчитать параметры.экзотермического элемента. Состав смеси определяется по температурным.условиям в обогреваемой поверхности прибыли ( Тщ ), а масса-экзотермической.смеси определяется с помощью теплового баланса .в системе "прибыль - экзотермическкй"эле-мент - форма". . •

а).Разработанная математическая модель процесса образования мостов твердого металла в прибили произвольной конфигурации для фасонной отливки позволяет определить условия получения открытой усадоч-

uoii раковины ( Г/nmi/t & Тщ ).

3) Параметры прибыли и экзотермического элемента, а такио состав экзотермической шеси и экономическая эффективность экзотерического обогрева ^аьисят от температурь! обогреваемой поверхности прибыли (Г/;/ ). Следовательно, оптмдальние параметры для прибыли я экзотнрли-часкох'о элемента долены быть полуены при максимальной ококэлгчзекой у е к v и би о о г и экзотермического обогрева, v г'омпаратурнок области опги-ннз&лш! ( Trusen ¿7т ^ Tat тзх )• Эти реиекия принимаются на основе разработанного алгоритма и программного обеспечения, ориеятирозаньо-го на персональные компьютеры IBM PC и аовместные с ними S2M, для реализации методики в качество подсистемл аьтс.;,'.авизированного проектирования литейной технологии.

О Получение благоприятного распределения плотности отливки требует массы прибил и в ¿¡,5-2 раза 'больше в случае необегрезаемой. прибыли, чей при обогрева ее экзотермическими сйесши, ксг^а атмосферное даьлени <з проникает z прибыль. ....

5. При изготовлении отливок с .применешгеи прибылей, обогреваемых экзотермическими емгеши, достигается экономия металла ка.ЗС-ЗО/6 по отношению к необогреваемым прибашиь Экономическая оффекгиьнооть экзотермического оботреза составляет (0,10 * 0,15) руб на кг отбивки.

1. Результаты работы-докладывались на кафедральных семинарах.

2. По ¡лагериалам работы напиоцка статья, направление-я в редакцию яуриала "литейное производство".

Подписано к печати 29.СВ.90, Ткрзк 100 экз.

Заказ Zo2. . БЕСПЛАТНО

Отпечатано на ротапринте ЛПИ им. Ii .И. Калинина I93ä5I, Ленинград, Политехпическал ул., ¿9